CVC를 이용한 DSSC 전극재료용 TiO2 중공나노입자 합성에 관한 연구

Abstract

요 지

최근 태양전지에 대한 연구 중 제조 단가가 저렴하며, 대면적화에 유리하고, 제조 공정이 간단한 이유로 염료감응형 태양전지(dye-sensitized solar cell, DSSC)에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 염료감응형 태양전지는 p-n 접합의 광전지 장치(photovoltaic devices)로서 기술적, 경제적 장점을 갖고 있다. 일반적인 실리콘(silicon) 태양전지에 비해 염료감응형 태양전지는 광을 흡수하는 일과 전자를 이동시키는 일이 분리되어 있다. 넓은 광 흡수 영역을 갖는 염료가 입사광을 흡수하며 넓은 밴드 갭을 갖는 나노분말은 전지의 양극으로써 전자 전달을 담당하게 된다. 전자의 전달을 담당하는 양극 전극용 나노분말로는 광학적으로 안정하며 넓은 밴드 갭을 갖는 이유로 TiO2 나노분말이 주로 사용된다. 또한 TiO2 나노분말의 넓은 표면적과 높은 분산도는 전지의 효율을 증가시키기 위한 중요한 변수가 된다. 따라서 본 연구에서는 비표면적이 넓고 균일한 입도 분포를 가지는 나노분말을 제조하기 위하여 화학기상응축(chemical vapor condensation, CVC)공정으로 TiO2 중공나노입자를 합성하였다. 합성한 TiO2 중공나노입자는 벽을 사이에 두고 두 개의 표면이 존재하여 넓은 표면적을 가지며 독특한 구조로 인해 입자 내부에서 입사광이 reflective index 차이에 의하여 산란 또는 trap 되어 낮은 투과율을 갖는다. 이에 따라 위와 같은 특성을 갖는 TiO2 중공나노입자를 염료감응형 태양전지의 전극으로 응용하고자 하였으며, 중공입자의 넓은 비표면적과 빛을 산란시키는 효과에 따른 낮은 투과율이 전력변환 효율에 미치는 영향에 대하여 조사하였다. 전극에 사용된 TiO2 중공나노입자를 만들기 위해 전구체로는 titanium oxide acetylacetonate (TiO(C5H7O2)2, Sigma-Aldrich Co.)를 이용하였다. 공정조건으로는 기화온도 220oC, 반응온도 900oC, 운반가스 He와 반응가스 O2는 각각 2 l/min 의 유량으로 공급하였고 압력은 400 mbar로 일정하게 유지하였다. 합성한 분말은 Transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffractometry (XRD), Brunauer-Emmett-Teller(BET), UV-spectrophotometer 등을 이용하여 분석하였으며, solar simulator를 이용하여 태양전지의 효율을 분석하였다. TiO2 중공나노입자를 전극으로 이용한 경우 넓은 비표면적에 따른 효율 증가를 기대하였으나 P25 상용분말을 전극으로 이용한 DSSC에 비해 매우 낮은 효율을 확인 할 수 있었다. 이는 두 가지 이유로 설명할 수 있다. 첫 번째 이유로는 앞서 설명하였듯이 구조적 특성으로 입사광 산란과 trap으로 인한 낮은 투과율을 들 수 있으며, 다른 이유로는 중공입자의 구조적인 특성을 들 수 있다. 중공나노입자는 벽을 사이에 두고 안과 밖으로 두개의 표면을 가지고 있어 여기된 전자가 안과 밖으로 나뉘어서 이동하게 된다. 이때 안쪽 벽으로 이동할 경우 에너지 변환에 영향을 주지 못하여 낮은 효율을 나타낸 것이다. 반면 산란층으로 이용한 경우 이와 같은 입사광을 산란 시키는 광 특성으로 인해 전극 내에서 빛이 머무는 시간이 더 증가하였고 산란층 아래의 전극에서 보다 효율적인 에너지 변환을 하여 효율이 증가함을 확인하였다.